Hel należy do grupy gazów szlachetnych. Ciekły hel jest najzimniejszą cieczą na świecie. W tym stanie skupienia ma szereg unikalnych cech, takich jak nadciekłość i nadprzewodnictwo. Więcej o jego właściwościach dowiemy się później.
Gaz helowy
Hel jest prostą substancją szeroko rozpowszechnioną we Wszechświecie w stanie gazowym. W układzie okresowym Mendelejewa jest drugi i jest zaraz po wodorze. Odnosi się do gazów obojętnych lub szlachetnych.
Element jest oznaczony jako „On”. Od starożytnej greki jej nazwa oznacza „Słońce”. Początkowo zakładano, że to metal. Okazało się jednak, że jest to gaz jednoatomowy. Hel jest drugą najlżejszą substancją chemiczną i jest pozbawiony smaku, koloru i zapachu. Ma najniższą temperaturę wrzenia.
W normalnych warunkach jest to gaz idealny. Oprócz gazu może być w stanie stałym i ciekłym. Jego bezwładność przejawia się w nieaktywnej interakcji z innymi substancjami. Jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie. Do celów przemysłowych jest wydobywany z gazu ziemnego, oddzielając go od zanieczyszczeń za pomocąstosując silne chłodzenie.
Gaz może być niebezpieczny dla ludzi. Wzrost jego stężenia w powietrzu prowadzi do braku tlenu we krwi, co w medycynie nazywa się głodem tlenowym. Spożywany w dużych ilościach powoduje wymioty, utratę przytomności, a czasem śmierć.
Skraplanie helu
Każdy gaz może przejść w stan ciekły agregacji w określonych warunkach. Skraplanie jest powszechnie stosowane w przemyśle, a także w badaniach naukowych. W przypadku niektórych substancji wystarczy po prostu zwiększyć ciśnienie. Inne, takie jak hel, stają się płynne dopiero po schłodzeniu.
Jeżeli temperatura gazu jest wyższa od punktu krytycznego, gaz nie będzie się skraplał, bez względu na ciśnienie. Dla helu punkt krytyczny to 5,19 Kelvina, dla jego izotopu 3He to 3,35 K.
Płynny hel jest prawie idealną cieczą. Charakteryzuje się brakiem napięcia powierzchniowego, lepkości. Po zmianie ciśnienia i temperatury jego objętość pozostaje taka sama. Ciekły hel ma wyjątkowo niskie napięcie. Substancja jest bezbarwna i bardzo płynna.
Właściwości ciekłego helu
W stanie ciekłym hel jest słabo rozróżnialny, ponieważ słabo załamuje promienie świetlne. W określonych warunkach ma właściwości cieczy kwantowej. Dzięki temu przy normalnym ciśnieniu nie krystalizuje nawet w temperaturze -273,15 stopni Celsjusza (zero bezwzględne). Wszystkie inne znane substancje zestalają się w tych warunkach.
Temperatura, w której ciekły hel zaczyna wrzeć, wynosi -268,9 stopni Celsjusza. Właściwości fizyczne jego izotopów znacznie się różnią. Na przykład hel-4 wrze w temperaturze 4,215 K.
Jest to ciecz Bose, która charakteryzuje się przemianami fazowymi w temperaturach 2,172 Kelwinów i niższych. Faza He II charakteryzuje się nadciekłością i przewodnością supertermiczną. W temperaturach poniżej fazy He I i He II występują jednocześnie, dzięki czemu w cieczy pojawiają się dwie prędkości dźwięku.
Hel-3 to płyn Fermi. Wrze w 3,19 Kelvina. Izotop może osiągnąć nadciekłość tylko w bardzo niskich temperaturach (kilka milikelwinów), gdy między jego cząstkami jest wystarczające przyciąganie.
Nadciekłość helu
Nauka zawdzięcza badanie koncepcji nadciekłości akademikom S. P. Kapitsa i L. D. Landau.
Naukowiec doszedł do wniosku, że po spadku temperatury helu poniżej 2,172 K, substancja przechodzi z fazy stanu normalnego do zupełnie nowego, zwanego helem-II. W tej fazie substancja przechodzi przez naczynia włosowate i wąskie otwory bez najmniejszego tarcia. Ten stan nazywa się „nadpłynnością”.
W 1941 Landau L. D. kontynuował badania właściwości ciekłego helu i rozwinął teorię nadciekłości. Wyjaśniaćprzyjął ją metodami kwantowymi, stosując koncepcję widma energetycznego wzbudzeń.
Zastosowania helu
Element helu został odkryty w widmie Słońca w 1868 roku. Na Ziemi został odkryty przez Williama Ramsaya w 1895 roku, po czym był długo badany i nie był używany w sferze gospodarczej. W działalności przemysłowej zaczął być używany jako paliwo do sterowców podczas I wojny światowej.
Gaz jest aktywnie wykorzystywany do pakowania w przemyśle spożywczym, przy wytopie metali. Geolodzy używają go do wykrywania usterek w skorupie ziemskiej. Ciekły hel jest używany głównie jako czynnik chłodniczy zdolny do utrzymywania bardzo niskich temperatur. Ta właściwość jest niezbędna do badań naukowych.
Płyn chłodzący jest używany w kriogenicznych maszynach elektrycznych, w skaningowych mikroskopach tunelowych, w urządzeniach medycznych tomografów NMR, w akceleratorach cząstek naładowanych.
Wniosek
Hel jest gazem obojętnym lub szlachetnym, który wykazuje niską aktywność w interakcji z innymi substancjami. W układzie okresowym pierwiastków chemicznych zajmuje drugie miejsce, za wodorem. W naturze materia jest w stanie gazowym. Pod pewnymi warunkami może przejść do innych stanów agregacji.
Główną cechą ciekłego helu jest jego nadciekłość i niezdolność do krystalizacji przy normalnym ciśnieniu, nawet jeśli temperatura osiągnie zero absolutne. Właściwości izotopów substancji nie są takie same. Ich krytycznytemperatury, warunki wrzenia i obroty ich cząstek.
